Biologie moleculară, microscopie de superrezoluție și optogenetică - fundalul revoluției neuroștiințifice

Din primul deceniu al anilor 2000, au început progrese dramatice în cercetarea sistemului nervos. Multe procese ale creierului și ale nervilor pot fi examinate în detalii de până acum inimaginabile și înțelese mult mai exact decât înainte. Pe baza acestora, se așteaptă ca multe manuale să fie rescrise. Și pe baza noilor rezultate, va fi posibil să se vindece bolile sistemului nervos mai repede și mai cu succes.

Care este motivul acestei dezvoltări rapide?

Există trei piloni metodologici-tehnologici de bază de dezvoltare:

Studiu mai precis al funcției moleculelor individuale implicate în activitatea neuronală, adică intrarea biologiei moleculare în neuroștiințe.
Posibilitatea de a activa sau dezactiva tipurile individuale de neuroni și zonele creierului așa cum se dorește, așa-numitul aplicarea optogeneticii în neuroștiințe.
Dezvoltarea uriașă a examinărilor microscopice, adică răspândirea imagisticii de superrezoluție în neuroștiințe.

Ce înseamnă intruziunea biologiei moleculare în neuroștiințe?

Sistemul nervos este alcătuit dintr-o mare varietate de neuroni și fiecare celulă produce o mare varietate de molecule. Exemple de astfel de molecule sunt neurotransmițătorii și proteinele (receptorii) care le simt. Sunt folosite de celulele nervoase pentru a comunica între ele.

Pentru a înțelege modul în care funcționează sistemul nervos, este esențial să clarificați care este rolul fiecărei molecule.

Cu metodele de biologie moleculară, a devenit posibil ca cercetătorii să studieze moleculele după cum consideră potrivit. Pentru orice tip de celulă nervoasă, acestea pot modifica moleculele produse de celule și pot vedea cum se modifică funcția sistemului nervos sau a unei părți a sistemului nervos.

Un exemplu: un compus numit GABA (acid gamma-aminobutiric) este unul dintre cei mai importanți neurotransmițători din sistemul nervos. Cu toate acestea, există o mare varietate de molecule care detectează GABA, dar receptorii GABA. Acești receptori sunt afectați de o proporție semnificativă de medicamente pentru sistemul nervos, cum ar fi hipnotice, analgezice și așa mai departe. În experimentele pe animale, acum este posibil ca cercetătorii să selecteze unul dintr-o mare varietate de receptori GABA, să-i modifice și să studieze efectul numai al acestuia asupra diferitelor activități, cum ar fi ameliorarea durerii, somnul sau chiar dezvoltarea epilepsiei.

Care ar putea fi beneficiile practice ale acestui lucru?

Odată ce rolul exact al fiecărei molecule și locația exactă a funcției sale sunt clarificate, aceasta poate fi utilizată în vindecarea țintită. Există deja studii clinice în care, în cazuri foarte severe, proteinele, neurotransmițătorii și moleculele medicamentoase sunt introduse în creierul uman cu ajutorul virușilor „utili” pentru a-și exercita efectele la nivel local. De exemplu, o moleculă care inhibă activitatea nervoasă este introdusă într-o zonă care provoacă convulsii epileptice. Boala Parkinson subliniază, de asemenea, o nouă formulare care este direcționată către creier și care poate preveni epuizarea rapidă a celulelor care conțin dopamină, cauza bolii.

De ce aplicarea optogeneticii în neuroștiințe este o nouă abordare revoluționară?

Dacă rolul zonelor individuale ale creierului în diferite activități, cum ar fi mâncatul, dormitul și învățarea, a fost studiat în trecut, acest lucru a fost realizat fie prin eradicarea (inactivarea) anumitor zone cerebrale, fie prin activarea lor prin stimulare electrică. Cu toate acestea, există multe tipuri de neuroni în fiecare zonă a creierului și acea zonă a creierului conține, pe lângă celule, fibre nervoase care vin aici și trec. Funcționarea unei zone cerebrale se realizează prin interacțiunea acestor componente. Înțelegem de fapt această funcție dacă putem examina fiecare element separat. Cu toate acestea, acest lucru nu a fost posibil până acum.

Cu toate acestea, în ultimii ani au existat evoluții amețitoare și în acest domeniu. În practică, zonele creierului și tipurile neuronale pot fi pornite și oprite după dorință, adică funcția lor poate fi controlată atât în spațiu, cât și în timp. În acest fel, este posibil să spunem exact care este rolul fiecărei zone creierului și tip de celulă într-un anumit proces de viață.

„Comutarea” se face cu lumină. Acest lucru se datorează faptului că au descoperit proteine care pot fi activate cu o anumită lungime de undă a luminii, care sunt și canale ionice. Deschiderea și închiderea canalelor ionice similare asigură, de asemenea, funcționarea normală a neuronilor. Atunci când aceste canale ionice fotosensibile sunt expuse la lumină, acestea se deschid și neuronii sunt fie activați (depolarizați), fie inactivați (hiperpolarizați) când se utilizează alte proteine.

Gena care codifică canalul ionic fotosensibil este introdusă în zona creierului pentru a fi examinată folosind un virus. Gena este exprimată, adică se formează canale ionice fotosensibile și încorporate în membrana neuronilor care urmează să fie modificați. Apoi, nu mai rămâne decât să ilumineze zona creierului într-un mod foarte vizat, chiar și cu fibră optică, și să-i examinezi rolul prin aprinderea și oprirea luminii.

Care ar putea fi beneficiile practice ale acestui lucru?

Metodele optogenetice pot fi folosite pentru a activa sau dezactiva anumite elemente ale sistemului nervos în orice mod. Din observațiile obținute în acest mod, se poate deduce rolul fiecărui element în funcția creierului sănătos și care element este deteriorat într-o anumită boală. Pe baza acestui fapt, se poate planifica un medicament sau un tratament vizat. Un exemplu de aplicare chiar mai directă: degenerarea retiniană este încercată în prezent prin salvarea unor astfel de molecule fotosensibile în ochi.

Care este răspândirea imaginii de superrezoluție în neuroștiințe?

Până în prezent, cercetătorii au folosit microscopia cu lumină și microscopia electronică pentru a explora structura sistemului nervos. Microscopul cu lumină este ușor de utilizat, dar detalii fine nu pot fi observate cu acesta: structurile mai mici de un micrometru nu mai pot fi rezolvate (micrometrul este o miime de milimetru). Cu toate acestea, există multe lucruri mai mici în sistemul nervos, de ex. sinapsele care leagă celulele nervoase sunt doar câteva sute de nanometri (un nanometru este o miime de micrometru).

Structurile nanometrice pot fi, de asemenea, văzute cu un microscop electronic, dar este foarte costisitoare, greoaie și consumatoare de timp, iar o celulă vie nu poate fi observată cu aceasta (datorită modului în care este pregătită proba).

Microscopia de superrezoluție a intrat în acest spațiu uriaș, care păcălește limita de dizolvare a microscopiei cu lumină cu anumite trucuri și este capabil de rezoluție apropiindu-se de cea a unui microscop electronic prin metode relativ simple. Metoda, care a primit Premiul Nobel pentru chimie în 2014, a fost utilizată pentru prima dată în Ungaria la KOKI al Academiei Maghiare de Științe. Superrezoluțiile pot fi folosite pentru a studia sinapsele celulelor vii până la o rezoluție de 20-40 nanometri.